Analýza tenkých vrstev metodou SIMS Jan Lorinčík Ústav fotoniky a elektroniky AV ČR, v.v.i. & Katedra fyziky Přírodovědecké fakulty Univerzity J. E. Purkyně LŠVT 2007 OBSAH • Princip metody SIMS • Analytický výstup SIMS • Analytické parametry SIMS • Kvantitativní analýza SIMS • Analýza rozhraní a tenkých vrstev • Srovnání s jinými metodám OBSAH • Princip metody SIMS • Analytický výstup SIMS • Analytické parametry SIMS • Kvantitativní analýza SIMS • Analýza rozhraní a tenkých vrstev • Srovnání s jinými metodami Princip metody SIMS (1/4) Vzorek bombardován (primárními) ionty ve vakuu srážková kaskáda při povrchu emise atomů a dalších částic z povrchu vzorku i+ malá část ve formě (sekundárních) iontů Princip metody SIMS (2/4) Sekundární ionty charakterizující chemické složení povrchu jsou separovány v hmotnostním filtru na základě poměru hmotnosti a náboje Princip metody SIMS (3/4) ls(t)=hloubkový Iontové dělo Hmotnostní Detektor Energiový filtr Vzorek pP|^ Princip metody SIMS (4/4) Statický SIMS Dávka primárních iontů < 1012 cnr2 ^ Každý iont dopadne na nepožkozené místo Desorbce molekul z povrchu Informace o molekulárním složení povrchu Dynamický SIMS Dávka primárních iontů > 1012 cm-2 Každý iont dopadne na fyzikálně i chemicky změněný povrch l> Informace o prvkovém a izotopickém složení OBSAH • Princip metody SIMS • Analytický výstup SIMS • Analytické parametry SIMS • Kvantitativní analýza SIMS • Analýza rozhraní a tenkých vrstev • Srovnání s jinými metodami Analytický výstup SIMS (1/6) Hmotnostní spektrum S laskavým svolením Dr. Greg Gillen, NIST, USA Depth (nm) Analytický výstup SIMS (3/6) 2D SIMS Analytický výstup SIMS (4/6) 3D SIMS 3D Image of Carbon in YBCO Superconductor 46 Files in Stack, 3.01 Mbytes S laskavým svolením Dr. Greg Gillen, NIST, USA Analytický výstup SIMS (5/6) Lineární povrchový profil Analytický výstup SIMS (6/6) Izotopické poměry S laskavým svolením Dr. Philippe Saliot, CAMECA, France OBSAH • Princip metody SIMS • Analytický výstup SIMS • Analytické parametry SIMS • Kvantitativní analýza SIMS • Analýza rozhraní a tenkých vrstev • Srovnání s jinými metodami Analytické parametry DSIMS (1/7) • Citlivost, detekční limit (ppm, ppb) • Hloubkové rozlišení (0.5 - 1 nm*) • Stranové rozlišení (10-20 nm*) • Hmotnostní rozlišení (M/AM ~ 25 000) • Transmise (10"3- 20%) • Hmotnostní rozsah (300 - 2000) Fyzikálni limit Analytické parametry DSIMS (2/7) Wá M MM Hmotnostně spektrometrická metoda nízké pozadí (1 counts/s) vysoký dynamický rozsah (10 - 1010 counts/s) Vysoká ionizační účinnost při použití reaktivních primárních iontů (procenta až desítky procent) 02+, 0~ zvyšuje ionizaci elektropozitivních prvků Cs+ zvyšuje ionizaci elektronegativních prvků Vysoká transmise moderních přístrojů SIMS (desítky procent) Analytické parametry DSIMS (3/7) Citlivost DSIMS: Užitečný iontový výtěžek Pro daný objem V odprášeného materiálu je SIMS signál: NM±=V- Užitečný iontový výtěžek UY^ Vzorek Příklad: CM = 1 ppm v Si UYM±=4x10-3 ■=> NM±=200 iontů V=1 jiim3 Analytické parametry DSIMS (4/7) Příklad: CM = 1 ppm v Si UYM±=4x10-3 ■=> NM±=200 iontů V=1 jim3 Analytické parametry DSIMS (5/7) 1 Definice 1 Příklad Analytické parametry DSIMS (6/7) 1 Definice 2 Příklad 500 eV 02+, 44°, při napuštění kyslíku, rastr 175 |jm, Analyzovaná oblast 0 33 |jm, rychlost odprašovaní 1.5 nm/min., Ad=0.7 nm, FWHM=1.8 nm S laskavým svolením Dr. Philippe Saliot, CAMECA, France Analytické parametry DSIMS (7/7) Kráterovým jevem Nabíjením povrchu (u málo vodivých vzorků) Kontaminací povrchu Drsností povrchu Informační hloubkou Promícháváním atomů ve srážkové kaskádě Radiačně zesílenou difúzí Chemickou segregací DSIMS Testovací měření Zr-slitin na UJEP SIMS Q. CD Q Crater in Zry4S CO Q in co 2 0 -2 ■4 ■6 ■8 0 200 400 600 800 1000 Drsnost původního povrchu a další zdrsňování vlivem vlastní SIMS analýzy 10 kV Cs => Zry4W 10c 10° "čo g> 103 e-gun instability (A 10' 10' restart 0 surface ZrCyZr potential interface change i 5 10 15 Depth dum) 90-, 16« Zr O Nabíjení povrchu u nevodivých vzorků Zdrsňovaní povrchu kovové slitiny při iontovém odprašovaní 0.50-B |^ / 3C » ^^^^^ k Analýza drsných povrchů S laskavým svolením Dr. Philippe Saliot, CAMECA, France OBSAH • Princip metody SIMS • Analytický výstup SIMS • Analytické parametry SIMS • Kvantitativní analýza SIMS • Analýza rozhraní a tenkých vrstev • Srovnání s jinými metodami Kvantitativní analýza SIMS (1/6) Měřený proud sekundárních iontů ..zlomková koncentrace prvku ..celkový odprašovací výtěžek ..ionizační pravděpodobnost I ..transmise spektrometru Kvantitativní analýza SIMS (2/6) Metoda kalibračních standardů 1. Zhotovení nebo nákup kalibračního standardu 2. Změření kalibračního vzorku za stejných podmínek jako „reálného" vzorku 3. Výpočet relativního citlivostního faktoru (RSF) 4. Převod škály SIMS intenzit (counts/s) na koncentrace (at/cm3) u „reálného" vzorku Kvantitativní analýza SIMS (3/6) 1. Implantovaný kalibrační standard Energie implantace: -100 keV pro hmoty do 16 -200 keV pro hmoty do 35 -400 keV pro hmoty do 65 -600 keV pro hmoty do 100 -800 keV pro hmoty do 150 -1 MeV pro hmoty do 200 Dávka implantace: 1x1014 až 1x1016 cm-2 Příklad: 360 keV 55Mn do GaAs, Dávka <|> = 5x1015 cm-2, implantovaná plocha 2", cena $1000 Kvantitativní analýza SIMS (4/6) 2. Změření kalibračního vzorku 360 keV, 5x1015 cm-2,55Mn v GaAs 5 keV O* » GaAs:Mn 1 0 1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-: 10 "I—'—i—1—i—1—1—1—1—1—1—1—1—1—1—'— 0 20 40 60 80 100 120 140 160 Doba odprašovaní (min) Kvantitativní analýza SIMS (5/6) Kvantitativní analýza SIMS (6/6) OBSAH • Princip metody SIMS • Analytický výstup SIMS • Analytické parametry SIMS • Kvantitativní analýza SIMS • Analýza rozhraní a tenkých vrstev • Srovnání s jinými metodami Aplikace SIMS na analýzu rozhraní a tenkých vrstev Multivrstvy S laskavým svolením Dr. Philippe Saliot, CAMECA, France Aplikace SIMS na analýzu rozhraní a tenkých vrstev Analýza povrchové monovrstvy nebo rozhraní uvnitř vzorku M j - OBSAH • Princip metody SIMS • Analytický výstup SIMS • Analytické parametry SIMS • Kvantitativní analýza SIMS • Analýza rozhraní a tenkých vrstev • Srovnání s jinými metodami